裝甲防護陶瓷材料的研究與應用*

張文毓

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所 河南 洛陽 471023)

為適應現代高科技戰爭。作為提高艦船生存能力的一項重要的被動防護技術——裝甲防護日益受到重視。二戰前后，艦船裝甲防護主要以均質金屬裝甲為主，但隨著武器裝備的發展，特別是聚能破甲反艦導彈的發展，目前已可穿透厚1 000 mm以上的均質鋼裝甲，對艦攻擊時一般都能穿透艦體，并形成直徑10 m左右的爆炸破口。因此，傳統的鋼裝甲已經不能滿足現代戰爭的要求，必須研制出密度小、防護能力高的新型輕質防彈裝甲。自20世紀70 年代以來，隨著材料技術的發展，由單一依靠均質鋼裝甲逐步向設計復合裝甲結構發展方向已成為艦船裝甲防護技術的主流。

目前輕型防護裝甲的設計是提高其防護能力和盡量減輕自重，以提高其機動能力。陶瓷材料因其密度小，且具有比裝甲鋼更高的硬度、抗壓強度、耐熱性、動態應力性能，而被廣泛應用于輕型復合裝甲的設計中。故輕型復合裝甲為多層結構，以陶瓷板為主體，配合其他復合材料。突破傳統重型復合裝甲結構設計，以高硬度陶瓷面板取代裝甲鋼面板，充分發揮陶瓷的高硬度和高抗壓強度，可提高陶瓷復合裝甲的抗彈性能[1]。

1 概述

為了應對當代高科技戰爭，世界各國對防彈裝甲技術越來越重視，對裝甲材料的性能提出了越來越高的要求。裝甲的防護性能主要是通過抗侵徹能力、抗沖擊能力、抗崩落能力和自重等方面來予以評價,因此裝甲材料應盡可能地滿足高硬度、高強度、高韌性以及低密度，即“三高一低”的要求。

裝甲防護材料主要用于裝甲車輛、坦克、航母、艦艇、直升機等裝備，它們能承受反裝甲武器的攻擊，可提高武器裝備和作戰人員的生存能力和作戰能力。縱觀古今中外，用做裝甲的材料大體有4類，即：金屬、陶瓷、凱芙拉(Kevlar)和玻璃鋼。金屬材料具有高硬度和韌性，但是硬度較陶瓷材料低，特別是密度大，不能滿足單兵和裝備高靈活性的要求，成為逐步被其他材料所替換的主要原因。凱芙拉和陶瓷材料與金屬材料相比具有密度低、耐高溫等諸多優點，滿足了坦克及其它軍用裝甲車輛輕量化、高防護性及高機動性的需求，在武器裝備上的應用日益廣泛[2]。

目前，國外已經在艦船上應用了大量的陶瓷裝甲。美國在艦船的天線、炮臺上都已使用了陶瓷復合裝甲，并預計其在研的AAAV級兩棲攻擊艦艇也將會使用陶瓷復合裝甲；此外，資料顯示，國外的水陸兩棲戰車、海軍登陸艇等都不同程度地利用陶瓷基復合裝甲的優秀抗彈性能提高其抵御來自岸防武器威脅的能力。據悉，美國在研制作戰機動靈活的小型巡邏艇、微型潛艇等新式輕型艦船，在其結構設計中，陶瓷裝甲作為防御系統的主體得到了充分的肯定。

2 研究現狀

陶瓷材料擁有許多極具吸引力的性能，包括高比剛度、高比強度和在許多環境下的化學惰性。同時，因其相對于金屬的低密度、高硬度和高抗壓強度，使其在裝甲系統上的應用十分具有吸引力，己成為一種廣泛應用于防彈衣、車輛和飛機等裝備的防護裝甲。在20世紀60年代，B4C最先用于設計防彈背心，之后裝配到飛機飛行員的座椅上。之后，又將陶瓷面板與復合材料背板共同構成防彈陶瓷復合裝甲，且于20世紀70年代后被美國等西方軍事強國應用于運兵車、坦克及軍機等。陶瓷裝甲主要應用于裝甲車輛，在實際應用中常以復合裝甲的形式出現，如英國“挑戰者”坦克、EE-T1奧索里約主戰坦克等。陶瓷作為裝甲防護材料的主要優勢是強度和硬度高、耐磨、密度小等，而易破碎、抗多發打擊性能弱的劣勢則在一定程度上限制了其應用。目前，防彈陶瓷主要朝著提高抗多發打擊性能、減輕質量及降低成本這3個方面進行。國內外現階段主要使用的特種防彈陶瓷有B4C、Al2O3、SiC、TiB2、AlN、Si3N4、Si-alon等[3]。

用于裝甲防護的單相陶瓷主要包括氧化鋁、碳化硼和碳化硅。表1為3種陶瓷的特征性能。盡管單相陶瓷具備一定的防彈能力，但共性問題是斷裂韌性低、脆性大，因此，防彈陶瓷的強韌化一直是研究的熱點方向。強韌方法主要包括多元陶瓷體系復合、功能梯度陶瓷、層狀結構設計等。Medvedovski對SiC-Al2O3、SiC-Si3N4-Al2O3、SiC-Si-Al2O3和SiC-Si3N4-Si-Al2O3這些碳化硅基的復合材料進行了研究。

復合裝甲包括2層含義：一是裝甲用復合材料制成，二是裝甲采用了復合結構。任何復合裝甲的研究都是為了優化復合材料和復合結構。當前，陶瓷復合裝甲早已不限于2種復合材料和較為單一的復合結構。在實驗領域，已經出現了陶瓷、金屬、纖維、硅硫等復數復合，且結構方面也出現了復數層數。通過對陶瓷復合裝甲的種類和現今應用情況的分析，不難發現，陶瓷+復合金屬采用功能梯度復合形式的復合材料是較為理想的應用形式。主要研究的方向在于具體組分設計、微觀修飾、制備工藝的改進以及對成本的控制[4]。

表1 典型防彈陶瓷的性能

2.1 氧化鋁(Al2O3)陶瓷

氧化鋁陶瓷具有高硬度、高耐磨、低摩擦系數等優點，通常以單晶體和多晶體的形式，用于要求耐熱和耐磨的各種應用中。在一些特殊應用中采用晶須增韌和相變增韌陶瓷，例如，耐火材料、火花塞絕緣體、裝甲和軸承等。不過，陶瓷也擁有太脆韌性不夠等缺點。氧化鋁陶瓷基本上不存在塑性變形，低韌性會導致其很容易受到熱和機械沖擊載荷而發生破壞。氧化鋁陶瓷應用于裝甲設計有很多優點，價格便宜而且成形工藝多種多樣。

2.2 碳化硼(B4C)陶瓷

碳化硼(B4C)陶瓷是一種密度低、高耐磨、高強度極硬的陶瓷。碳化硼陶瓷廣泛應用于坦克車的裝甲、防彈衣、噴砂嘴、特殊密封環以及其他很多工業用品中。

碳化硼陶瓷是一種重要的工程陶瓷材料，具有低密度(2.52 g/cm3)、高熔點(2 450 ℃)、高硬度、高彈性模量、化學穩定性好以及高中子俘獲率等特點，因此B4C及其復合材料被廣泛地應用于工程領域,尤其是用作新型裝甲陶瓷。早在20世紀60 年代，美國就推出了以B4C為芯部的防彈復合裝甲，黑鷹武裝直升機的機身腹部和乘員座椅也采用由B4C和Kevlar纖維組成的復合裝甲。但是，碳化硼是強共價鍵化合物(共價鍵比例達到93%以上)，塑性差，晶界移動阻力大，并且在碳化硼粉體顆粒表面常常有一層B2O3薄膜，阻礙了燒結過程中的物質擴散，因此B4C是一種極難燒結的陶瓷材料，這極大地限制了B4C陶瓷的應用[5]。

2.3 碳化硅陶瓷

SiC陶瓷由于具有高溫強度大、抗氧化性強、耐磨損性好、熱穩定性佳、熱膨脹系數小、熱導率大、硬度高以及抗熱震和耐化學腐蝕等優良特性，因此是當前最有前途的結構陶瓷之一，并且已在許多高技術領域(如空間技術、核物理等)及基礎產業(如石油化工、機械、車輛、造船等)得到應用，如用作精密軸承、密封件、氣輪機轉子、噴嘴、熱交換器部件及原子核反應堆材料等。將SiC陶瓷用作裝甲材料是近年來國內外研究的熱點。作為裝甲材料，對陶瓷的抗彎強度和硬度則有更高的要求[6]。

2.4 硼化鈦(TiB2)陶瓷

硼化鈦陶瓷(TiB2)是一種具有高強度、高硬度和高耐磨性的非氧化物陶瓷。目前，主要應用于防彈衣、裝甲和切割材料等。熱壓、熱等靜壓(HIP)、無壓燒結和微波燒結等工藝都可以用于生產完全致密的硼化鈦陶瓷。

2.5 纖維增韌陶瓷復合材料

戰爭中人員和裝備的快速安全移動對輕質結構防護材料提出了持續需求，纖維復合陶瓷材料則是提供能量吸收和質量減輕的最佳組合方式。用于增韌陶瓷的纖維主要包括玻璃纖維和碳纖維。如輕型車輛吉普的面板通常都是基于S-2玻璃纖維(65%的SiO2，25%的Al2O3和10%的MgO)，這會比傳統的低堿鋁硼硅酸鹽E玻璃纖維(名義組成是54%的SiO2，14%的Al2O3，22%的CaO+MgO和10%的B2O3)有更高的斷裂應變和彈性模量。

由陶瓷/凱芙拉材料組成的復合裝甲自從問世以來，由于其特有的物理性能和良好的防彈、防輻射能力，在武器裝備、航空航天等領域的應用逐漸廣泛。美國、俄羅斯、日本、歐共體等己經把該復合裝甲成功地應用在多種武器裝備上，顯著地提高了綜合防護能力。但鑒于技術保密，有關該材料的加工方法、加工技術很少有文章發表。

2.6 透明陶瓷

隨著材料制備技術的發展，更高性能的新材料不斷被開發和研究。現代化戰爭對裝甲系統的要求越來越高，不僅要求能夠實現全方位的防護，還要求不能妨礙士兵們的行動能力，變“被動”為“主動”，發展能預先識別目標，并利用誘餌觸發和物理摧毀方式破壞來襲武器的“主動裝甲”，成為作戰中的一大優勢。以氮氧化鋁(AlON)和鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)為代表的透明陶瓷已應用于裝甲防護領域，既能保護人體又能隨時觀察敵情。透明陶瓷因高強度和硬度，已成為可替代防彈玻璃的具有發展潛力的防護材料，如面罩、導彈探測窗口、地面作戰車輛保護窗、飛機的擋風玻璃和降落窗等，主要有單晶氧化鋁(藍寶石)、氮氧化鋁和鎂鋁尖晶石。

當前，陶瓷裝甲材料研究的重點是提高其韌性并降低生產成本。美國采用微波燒結技術提高生產效率，大幅降低了生產成本，并實現了碳化硅和硼化鈦陶瓷材料的規模化生產。為提高抗彈性能，美國計劃發展全致密碳化硅、氧化鋁、硼化鈦和碳化硼等單質陶瓷材料、陶瓷基復合材料及透明陶瓷材料[7]。

陶瓷材料憑借其優異特性，已經成為了當前國內外裝甲防護領域的研究熱點與發展重點。由于軍事工程應用的需要，如何提高陶瓷材料的力學性能，深入探究裝甲防護陶瓷材料的動態力學特性以及陶瓷復合裝甲的抗彈機理，成為了當前裝甲防護的重點研究課題。

3 應用進展

目前，世界各國對于裝甲防護技術研究可以分為材料改進與結構設計2個方向。在軍用裝甲上應用較為廣泛的防護材料主要有金屬材料、陶瓷材料、復合材料等，功能結構設計上有蜂窩結構、金屬封裝結構等特殊結構。

對裝甲材料要求的防彈性能包括抗侵徹、抗沖擊和抗崩落能力。陶瓷材料作為一種先進的高技術材料，具有高強度、高硬度、耐腐蝕、高耐磨性和質量輕的特點，它不僅可用在坦克的防護上, 而且也可用在飛機、艦船、車輛、關鍵部位的防彈遮蔽層和單兵作戰的防護上，其應用范圍越來越廣泛。實踐表明，世界上許多先進坦克采用高性能的陶瓷防護裝甲后，防護能力都得到了明顯提高。為了提高防彈能力，一般采用陶瓷復合裝甲。艦船用陶瓷復合裝甲除了要求有良好的防彈性能外，還需要質量輕，所以對裝甲的要求是密度盡可能小。因此，在裝甲的設計中必須充分考慮復合裝甲中各個組成部分的密度，通過優化結構，在最小面密度下實現最大防護效果[8]。

3.1 防彈陶瓷

陶瓷是一種脆性材料，在受到沖擊時容易破碎，通常不單獨做成防護裝甲，而是與金屬和其它纖維材料一起做成復合裝甲；復合裝甲中使用的陶瓷通常被改成陶瓷塊，使得當某塊陶瓷被彈體擊碎時，其它陶瓷塊還仍然有效。陶瓷材料主要應用于以對付中、大口徑長桿穿甲彈為首要目標的裝甲系統， 這些彈藥主要采用燒蝕破壞機理，另外也應用于防彈背心， 陶瓷與復合背面材料結合使用提供要求的防護能力。工程應用中， 陶瓷復合裝甲廣泛用在坦克、裝甲車等裝備的防護裝甲上。但陶瓷材料塑性差、斷裂強度低、易產生脆性斷裂，且不能二次防彈，此外，其成形尺寸較小、生產效率低，且因其具有極高的硬度和脆性，二次成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤其困難， 因而制備成本高，使用局限性較大。

目前，用于防彈的三大陶瓷材料是氧化鋁(Al2O3)、碳化硅(SiC)和碳化硼(B4C)。氧化鋁因其成本低而在防彈上得到更廣泛的應用，但其防彈等級最低、密度也最大； 碳化硼防彈性能最好、密度最小，但其價格最為昂貴，20 世紀60年代就最先用來作為設計防彈背心的材料；碳化硅陶瓷材料在成本、防彈性能和密度指標方面均介于二者之間。因而最有可能成為氧化鋁防彈陶瓷的升級換代產品[9]。

3.2 陶瓷復合裝甲的應用現狀

陶瓷面板+金屬背板復合裝甲作為結構最簡單、成本相對低廉的復合裝甲，被研究最多，多被制造為輕型復合裝甲。面板通常采用Al2O3、SiC、B4C陶瓷等，背板一般采用芳綸、高強度聚乙烯等，粘接一般用橡膠、環氧樹脂等。是制作單兵裝甲、防彈衣、小型關鍵部位防護裝甲的首選。碳化硅基陶瓷復合裝甲受限于其高昂的價格，多被應用于特種作戰領域，例如特種兵防彈衣、軍用特種車輛裝甲、武裝直升機裝甲。它也被看做是最有應用前途的陶瓷復合裝甲之一，只要能夠降低其制造成本并解決其韌性稍差的問題，將會被大量應用于主戰坦克、輕型裝甲車輛等領域。目前最普遍的陶瓷復合裝甲是氧化鋁基陶瓷復合裝甲，它有著較好韌性、抗熱沖擊性，價格低廉，生產技術簡易。被廣泛應用于民、警單兵防護和民、警用押運車及對裝甲強度要求較低的領域。

目前圣戈班陶瓷公司可提供滿足復合裝甲系統性能要求的陶瓷材料。基于40多年來在復合裝甲系統的經驗，該公司可提供最終產品、半成品、機加毛坯、壓制近凈形毛坯、大體積壓制凈形部件和復雜機加部件產品。生產的陶瓷材料包括：輕型高硬度、高壓縮強度Hexoloy?燒結碳化硅(SSiC)，具有最佳強度和抗氧化性CRYSTAR?反應燒結碳化硅(SiSiC)，高模量高聲速Silit?SKD反應燒結碳化硅(SiSiC)，低密度高硬度Norbide?熱壓碳化硼(B4C)，最高硬度最高剛度的T196/T198氧化鋁(Al2O3)，高硬度氧化物復合陶瓷TZ3(Alumina Zirconia)和用于紅外窗口的極硬長壽命抗刮傷Saphikon?藍寶石材料等[10]。

3.3 陶瓷一金屬功能梯度復合材料在裝甲防護中的應用

現在一般應用的陶瓷一金屬復合材料，盡管具有很多優點，但當內部應力增大時，會導致材料的破壞；若采用陶瓷一金屬功能梯度復合材料，將會改變這種狀況。這是因為，陶瓷一金屬功能梯度復合材料是一種采用多元化技術制造的新型非均勻復合材料，在這種材料中，一面是陶瓷，一面是金屬，中間是從陶瓷到金屬逐漸變化的板材，可以兼具陶瓷材料和金屬材料的雙重特點，即可以具有陶瓷的硬度和耐腐蝕、耐高溫的特性，同時還具有金屬的強度和韌性。并且在這種材料中，由于各組分材料的體積含量在空間位置上是連續變化的，而其物理性能沒有突變，因而可較好地避免諸如在纖維增強復合材料中經常出現的層間應力問題，并降低應力集中現象[11]。

為克服目前陶瓷復合裝甲材料的結構缺陷，美國材料科學家于1999年提出“陶瓷/金屬功能梯度裝甲材料(FGAC)”的新概念，即利用陶瓷/金屬功能梯度材料層間界面上非突變聲阻特性及梯度層間冶金結合所具有的良好橫向剪切強度，不僅能有效緩解材料的動態損傷，提升材料反侵徹效能，同時又可以促進陶瓷復合裝甲材料輕質化發展，所以陶瓷/金屬功能梯度裝甲材料得到了材料界(尤其是兵器材料科學界)的高度重視與深入研究，成為今后陶瓷復合裝甲材料的發展趨勢之一[12]。

目前國外科研人員研究的防彈用陶瓷-金屬功能梯度復合材料主要有Ti-TiB2體系以及Al2O3/Al、SiC/Al、B4C/Al、Si3N4/Al等復合體系。國外研究人員分別從功能梯度材料的制備、材料的動態力學性能、應力波在功能梯度材料內的傳播以及裂紋的擴展等方面展開研究。

近年來我國許多高校和研究所也相繼開展了對功能梯度復合裝甲的研究，國內的主要研究單位有北京理工大學、西北工業大學、沈陽金屬所等。目前研究的防彈用功能梯度復合材料體系主要有Al2O3/Al、SiC/Al、B4C/Al、Si3N4/Al等復合體系。國內研究人員分別從功能梯度材料的制備、材料的動態力學性能與組份分布規律的關系、材料的抗彈性能等方面展開研究，并取得了一定的進展[13]。

4 發展趨勢

目前， 裝甲陶瓷材料研究的重點是解決其韌性差及成本高的問題。美國在降低陶瓷成本方面取得了較大進展，如采用微波燒結技術極大地提高了生產效率， 大幅降低了材料成本， 并實現了SiC 和TiB2陶瓷材料的規模化生產。提高裝甲陶瓷材料性能方面主要途徑有：

1)用連續碳纖維增韌補強的Si3N4比純Si3N4的斷裂韌性提高4倍，SiC 纖維/SiC可比純SiC的應變量增大9倍。對于SiCw/Al2O3復合材料，當晶須的體積分數為20%以下時，其斷裂韌性與晶須含量呈較好的線性關系。金屬與陶瓷復合可明顯提高裝甲材料的韌性，如用SiC 或B4C顆粒增強鋁。美國DOW化工公司采用快速全面壓實工藝制造了B4C/Al 復合裝甲，其抗彈極限可達熱壓B4C的80%～90%，而韌性比單一的B4C好得多。另外，塑料陶瓷是一個新的研究領域，它系由陶瓷顆粒為主體(約占總質量的85%)，以高聚物做膠粘劑混合而成，它只須采用一般聚合物成形加工技術。在等質量基礎上比較， 這種塑料陶瓷比純陶瓷具有更好的抗彈性能，且可承受多發彈丸侵徹。

2)梯度功能材料(FGM)是通過精心設計和采用特殊的工藝，使陶瓷與金屬的復合物組分、結構能連續地變化， 由陶瓷側過渡到金屬側形成了一種物性參數也連續變化的復合材料。FGM 的制備可采用化學氣相沉積法(CDV)、物理蒸鍍法(PVD)、薄膜疊層法、等離子噴涂法、自蔓延高溫合成法(SHS)及顆粒梯度排列法等， 其中以薄膜疊層法效果較好。已制成的FGM 有SiC-C、TiC-Ti、SiC-Al、Be4B-Be、TiC-Ni等，當以Be4B-Be制作裝甲板時，從外表面到中心部位只含Be4B，然后以彌散方式加入Be，到背面為Be4B-10vol%Be。這比陶瓷面板和金屬背板組合的復合裝甲抗彈性能要好得多。

3)陶瓷材料的脆裂與其結構敏感性密切相關，其斷裂往往始于表面或近表面處的缺陷。因此，必須盡可能消除其表面缺陷。諸如采用機械化學拋光、表面微氧化、氣相沉積和激光表面處理等，都可改善表面狀態，提高陶瓷的韌性。20 世紀80 年代以來，人們采用離子注入法對Al2O3、SiC、Si3N4、ZrO2陶瓷材料的性能進行了研究。在Al2O3表面注入Ni、Cr、Ti、Zr、Y 等離子可提高其表面硬度約50%，離子注入法也可使SiC和Si3N4的彎曲強度提高20%～30%[14]。

5 結語

不同的裝甲材料對反裝甲武器的攻擊有著不同的反應，單一均質材料構成的裝甲通常只能防護特定的反裝甲武器。為了能夠應對越來越復雜的實際需求，同時防護多種反裝甲武器，復合裝甲的研究已成為必然趨勢。陶瓷復合裝甲作為其中的佼佼者，將朝著更高強度、更高韌性、更低廉的價格、更簡易的制備工藝等方向發展。隨著陶瓷復合裝甲研究的進展，能讓我國陶瓷復合裝甲技術水平得到飛躍性的提高，對我國國防領域技術會產生積極影響。